L’atelier de Hawking

Étape 1 · 1942–2018

Un physicien de Cambridge.

Né 300 ans après la mort de Galilée, il passe sa vie à chercher d’où vient l’Univers et ce que cache un trou noir.

1Parcours sa vie

Cambridge dans les années 1960 : les collèges au bord de la rivière Cam, à la lumière du soir.

Sa vie

Étape 2 · Cambridge

Les instruments de Hawking.

Pas de prisme ni de télescope : un bureau, un tableau noir, des équations. Voici trois de ses idées à manipuler.

2Essaie les trois instruments

Clique sur les instruments de la table. Chacun se manipule.

Étape 3 · 1784–1916

Le point de non-retour.

Peut-il exister un astre dont même la lumière ne s’échappe pas ? Deux savants du XVIIIᵉ siècle l’ont imaginé, un troisième a calculé sa taille.

3Vérifie ton hypothèse

Un trou noir : un disque sombre entouré d’un anneau de lumière dorée, dans le ciel.

Je fais une hypothèse

Comprimer la Terre

En 1784, le Britannique John Michell calcule qu’un astre assez massif et assez compact retiendrait sa propre lumière : il serait invisible. Laplace reprend l’idée en 1796. Faisons l’expérience de pensée avec la Terre : on garde sa masse, on réduit sa taille, et on regarde la vitesse qu’il faudrait atteindre pour s’en échapper.

Rayon de la Terre comprimée

Vérifie avec le rayon du trou noir de l’établi (étape 2) : tu peux le manipuler toi-même.

L’horizon, une frontière à sens unique

En 1958, David Finkelstein montre que cette frontière, l’horizon, ne se traverse que dans un seul sens. Dehors, on peut encore repartir ; dedans, tout tombe vers le centre.

Pas pour la Terre

Aucune force ne peut comprimer la Terre à ce point. Mais le cœur d’une étoile très massive qui s’éteint peut s’effondrer ainsi, en une boule de quelques dizaines de kilomètres. Dans les années 1970, Cygnus X-1, à environ 7 000 années-lumière, devient le premier candidat sérieux.

Étape 4 · 1971

Une surface qui ne diminue jamais.

Hawking démontre une règle simple sur la surface de l’horizon d’un trou noir. Elle sera vérifiée cinquante-quatre ans plus tard.

4Vérifie ton hypothèse

Deux trous noirs qui spiralent l’un vers l’autre, entourés d’ondulations lumineuses.

Dans la vraie vie

Quand deux trous noirs fusionnent

Le 14 septembre 2015, les détecteurs LIGO captent pour la première fois les ondes gravitationnelles de deux trous noirs qui fusionnent : de 36 et 29 masses solaires, ils n’en font plus qu’un de 62. Environ 3 masses solaires se sont transformées en ondes. En 1971, Hawking avait annoncé une règle sur la surface de leur horizon : son aire.

Cherche la limite avec la fusion de l’établi (étape 2) : tu peux la manipuler toi-même.

Étape 5 · 1972–1974

Un trou noir qui brille.

Si la surface d’un trou noir ne diminue jamais, elle ressemble à une entropie. Et si un trou noir avait une température ?

5Vérifie ton hypothèse

Un trou noir entouré d’un halo très pâle et de minuscules étincelles dorées qui s’en échappent.

1972 · Une idée de Bekenstein

L’aire d’un horizon ne diminue jamais… comme l’entropie, la mesure du désordre en thermodynamique. Un jeune physicien, Jacob Bekenstein, en conclut que l’aire est une entropie. Mais alors un trou noir aurait une température, et tout ce qui a une température rayonne.

Hawking s’y oppose d’abord

Un trou noir ne laisse rien sortir : comment rayonnerait-il ? En 1974, Hawking refait le calcul en mêlant relativité et physique quantique, et c’est lui qui est convaincu : un trou noir rayonne comme un corps chaud. Son article de la revue Nature s’intitule « Explosions de trous noirs ? ».

Je teste

La température d’un trou noir

Le résultat de Hawking : un trou noir a une température qui dépend de sa masse. Observe-la avec le thermomètre de l’établi, puis réponds.

Observe avec le thermomètre de l’établi (étape 2) : tu peux le manipuler toi-même.

Je fais une hypothèse

Que devient un trou noir qui rayonne ?

Une image, pas une preuve

On explique souvent ce rayonnement par des paires de particules qui apparaissent près de l’horizon : l’une tombe, l’autre s’échappe. C’est une image commode. Le vrai calcul de Hawking est plus subtil : il vient de la physique quantique dans un espace-temps courbe.

Étape 6 · 1988–2025

Ce qui est sûr, ce qui reste à trouver.

Hawking a prédit beaucoup de choses. Certaines sont maintenant observées, d’autres pas encore. Fais le tri.

6Fais le tri

La nef de l’abbaye de Westminster, une dalle d’ardoise sombre au sol, dans la lumière dorée des vitraux.

Son héritage

Je classe

Ce qui est observé, ce qui ne l’est pas

Pour chaque affirmation, dis si elle a été observée ou si elle reste une prédiction.

Bilan

Ce que tu as retrouvé.

1

L’horizon, point de non-retour

Le rayon d’un trou noir est proportionnel à sa masse : environ 3 km par masse solaire. La Terre tiendrait dans une bille.

2

L’aire ne diminue jamais

Quand deux trous noirs fusionnent, l’aire finale est au moins la somme des aires : Hawking 1971, vérifié en 2025.

3

Un trou noir rayonne… en théorie

Plus il est petit, plus il est chaud, et il finit par s’évaporer. Ce rayonnement n’a jamais été observé.

Ton carnet

Avant Hawking · 1915L’atelier d’EinsteinLa relativité générale : l’espace et le temps courbés, d’où viennent les trous noirs.

L’atelier · Les savants

Les autres ateliers.

Vingt-neuf ateliers, d’Hippocrate à Hawking. Choisis ton prochain établi.

Hawking et les trous noirs qui s’évaporent.